具有故障存儲功能的數(shù)字化IGBT驅動器的設計

摘要：針對軌道交通領域IGBT的使用要求，設計了一款基于可編程邏輯器件并具有故障存儲功能的數(shù)字化驅動器。文章介紹了驅動器總體方案，設計了多電壓軌電源系統(tǒng)；分析了異常驅動信號對IGBT正常工作的危害，并通過軟件算法實現(xiàn)了短脈沖抑制與超頻保護；電源欠壓會導致IGBT開關異常，使用欠壓檢測芯片進行檢測并在發(fā)生欠壓故障時進行脈沖封鎖；針對短路故障，使用退飽和電路檢測并結合軟件時序進行保護；詳細分析了IGBT開關過程各階段的不同特性，設計了可優(yōu)化開關性能的多等級開關電路；通過存儲芯片與可編程邏輯器件的SPI通信，在發(fā)生故障時可實現(xiàn)對各節(jié)點信號波形的存儲。經(jīng)測試驗證，數(shù)字化驅動器可顯著改善 IGBT的開關性能，并能準確存儲故障信息。

關鍵詞：存儲；數(shù)字化；IGBT；驅動器

大功率絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）在軌道交通牽引變流器、輔助變流器、充電機等核心設備中得到了廣泛的應用。

IGBT 驅動器是控制裝置與 IGBT 模塊之間的橋梁，決定著 IGBT 能否正常、安全、可靠的工作，是執(zhí)行控制算法的關鍵部 件。為了實現(xiàn)對 IGBT 更加精準、智能的控制以提高系統(tǒng)的效率以及可靠性，帶有可編程邏輯器件的數(shù)字化驅動器已得到了越來越多的應用。IGBT 部件的可靠性嚴重影響著車輛的運行秩序。變流器中 IGBT 故障后車輛只能通過切除部分動力或部分負載來維持運用，嚴重影響車輛運行與乘客乘坐。目前的 IGBT 驅動器雖然具有故障檢測保護與故障反饋功能，但通過故障反饋卻無法甄別故障類型，亦不能指示 IGBT 故障前后驅動器各部分信號或邏輯，造成故障的根本原因很難分析。因此，有必要設計帶有故障存儲功能的 IGBT 驅動器，為故障的定位與分析提供有利的數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)字化驅動器總體方案設計

數(shù)字化驅動器以可編程邏輯器件為核心，包括電源系統(tǒng)、信號處理與故障保護系統(tǒng)、門極開關電路以及故障存儲等組成。其整體設計方案如圖 1 所示。

外部直流電壓經(jīng)高頻變壓器隔離轉換成供可編程邏輯器件、光纖信號系統(tǒng)、門極驅動電路等使用的電壓?？删幊踢壿嬈骷榭刂浦袠校紫葘τ晒饫w輸入的脈沖寬度調(diào)制 (pulse width modulation, PWM) 驅動信號進行短脈沖抑制、超頻保護等處理，之后通過門極開關矩陣對 IGBT 的開通與關斷過程實施多級分段控制 ^[1,3]。Vce 電路對 IGBT 開關狀態(tài)進行檢測，當發(fā)生短路時可編程邏輯器件控制門極開關矩陣對 IGBT 實施關斷保護，并將故障信息反饋至上位機?？删幊踢壿嬈骷谡９ぷ鲿r會對欠壓檢測、短路檢測等故障檢測電路輸出狀態(tài)進行實時采集并進行信息緩存。當發(fā)生某種故障時，可編程邏輯器件通過 SPI 總線與外接的存儲芯片通信，將故障前后的異常信號與波形信息寫入存儲芯片以供故障分析使用。

2 數(shù)字化驅動器電源設計

由于采用了可編程邏輯器件，因此數(shù)字化驅動器相較于模擬化的驅動器，其電源系統(tǒng)更加復雜，整個電源系統(tǒng)包含門極驅動電源 ±15 V、可編程邏輯器件電源 +3.3 V 與 +1.2 V、光纖電源 +5 V。其設計方案如下圖 2：

3 數(shù)字化驅動器信號處理與故障保護

驅動信號控制著 IGBT 的開關，“純凈”或準確的信號決定 IGBT 能否安全工作，因此對進入驅動器的開關信號進行了短脈沖抑制與超頻保護。

3.1 驅動信號處理

3.1.1 短脈沖抑制

IGBT 驅動信號通常由數(shù)字信號處理（digital signal processing，DSP）或其他微控制器產(chǎn)生，通過電信號或者光信號傳輸至驅動器。因軟件算法錯誤或者信號傳輸干擾可能會造成驅動信號的暫態(tài)變化，這些較短的脈沖信號會導致 IGBT 異?？焖俚亻_關，容易引起短路或其他故障，同時也會對反并聯(lián)二極管造成損害，因此必須濾除。

如圖 3 所示，為了抑制短脈沖，IGBT 驅動信號 PWM_IN 經(jīng)轉換后入可編程邏輯器件，當出現(xiàn)電平高低狀態(tài)轉換時，由軟件對轉換的電平狀態(tài)進行計時判斷。當電平維持時間短于軟件設定的閾值時間 t_SPS，則輸出脈沖 PWM_IN_FLT 保持轉換前的狀態(tài)不變；當電平維持時間長于設定的閾值時間，則脈沖信號輸出狀態(tài)進行轉換。短脈沖抑制功能可濾除較窄的開通或關斷信號。

3.1.2 超頻保護

超過設定工作頻率的開關信號可能會導致 IGBT 熱損壞，超頻保護能避免軟件錯誤造成的嚴重后果，如圖 4 所示，數(shù)字化驅動器超頻保護閾值頻率設置為 1.3 Fsw，當輸入的 PWM 開關信號頻率超過設置的閾值并超過三個周期后，如圖 5 所示保護時序，驅動器會封鎖門極開關脈沖，同時將故障反饋給上位機。

3.2 故障保護

3.2.1 欠壓保護

圖 7 為欠壓保護功能實現(xiàn)的過程與時序，當進入電壓檢測芯片 V+ 管腳的電壓低于 2.63 V 閾值電壓 Vth 時，芯片 /REST 管腳置低，可編程邏輯芯片檢測到輸入欠壓信號變低后立即封鎖門極脈沖，同時將故障反饋給上位機；當 V+ 高于閾值電壓 Vth，且維持時間超過 200 ms 時，/REST 管腳置高。

3.2.2 短路保護

IGBT 短路是變流器模塊最嚴重故障，因此短路保護也是驅動器最重要的保護功能 ^[4]。圖 8 為二極管式退飽和檢測電路，依靠檢測 IGBT 短路時的退飽和現(xiàn)象，配合軟件時序邏輯，可實現(xiàn)對 SC1（開通前處于短路狀態(tài)）、SC2（導通過程中短路）兩種類型短路的可靠保護。

圖8 退飽和檢測電路

二極管式退飽和檢測電路工作原理：

（3）當 IGBT 發(fā)生短路時，集電極電流快速上升，Vce 電壓會快速退飽和返回至母線電壓，此時 Vce 電壓 會使二極管 D1~Dn 反向截至，比較器輸出為高，待短路檢測倒計時結束會立即報出短路故障。此后，可編程邏輯器件會封鎖脈沖，為 IGBT 施加軟關斷，并將故障情況反饋至上位機。

4 數(shù)字化驅動器門極開關控制

大部分 IGBT 驅動器使用單電阻或兩電阻對 IGBT 的開通與關斷進行控制，最終的取值是在開關延遲、開關損耗、電磁干擾、關斷過電壓等因素綜合限制下折中取得。事實上，IGBT 模塊在開通或關斷中呈現(xiàn)階段性特性，每個階段對門極電阻值都有特定要求。

使用可編程邏輯器件選擇在開通或關斷的不同階段投入最優(yōu)阻值的門極電阻，可大大優(yōu)化 IGBT 模塊的開關性能。如圖 9 所示，門極開關矩陣由 MOSFET 組成，T1-Tn 是負責開通的 MOSFET，而 B1-Bn 是負責關斷的 MOSFET。開通門極電阻可由 Ron1~Ronn 任意組合并聯(lián)取得，同樣關斷門極電阻可由 Roff1~Roffn 任意組合并聯(lián)取得，因此開通或關斷都可以獲得 2ⁿ ? 1種門極電阻取值。

圖 10 為 IGBT 模塊的開通和關斷過程 ^[2]，門極驅動 電阻多等級切換工作原理如下：開通過程：T0~T1：驅動器接收到 PWM 開通信號，開關矩陣切換至開通時序。此時間段為 IGBT 的開通延遲階段，IGBT 集電極與發(fā)射極間電壓 Vce 及 IGBT 集電極電流 I_C 無變化，因此在該階段投入最小阻值（Ron1||Ron2||...Ronn）的開通電阻，使 IGBT 門極與發(fā)射極間電壓 V_ge 快速上升至開通閾值 V_ge,th，縮短開通延遲時間；

T4~T5：T4 時刻 IGBT 已經(jīng)完全開通，使用最小門極開通電阻維持開通狀態(tài)

關斷過程：

T5~T6：T5 時刻，驅動器接收到 PWM 關斷信號，即刻進入關斷時序。投入最小的關斷電阻（Roff1||Roff2||...Roffn）， 使門極電壓快速降至米勒平臺，減小開通延時；

T9-：IGBT 進入關斷狀態(tài)，使用最小關斷電阻保持。

5 數(shù)字化驅動器故障存儲

大部分驅動器在 IGBT 發(fā)生故障時通過反饋信號與上位機通訊，實現(xiàn)系統(tǒng)快速保護。但這種方式無法甄別故障類型、不能指示重要節(jié)點信號（輸入 PWM、輸出反饋等）發(fā)生故障時刻的狀態(tài)、不能在 IGBT 或驅動器發(fā)生特別嚴重故障（IGBT 燒損、驅動器燒損斷電等）時記錄最初狀態(tài)，因此雖然報告了故障，但分析原因時仍然非常困難。

因此本設計在驅動器上添加了高速存儲芯片，通過 SPI 總線與可編程邏輯器件連接 ^[5]，圖 11 為數(shù)字化驅動器故障存儲電路。當故障觸發(fā)時，可編程邏輯器件將故障位及其他數(shù)據(jù)信息快速寫入高速存儲芯片。之后，上位機電腦通過串口通訊線與可編程邏輯器件連接，通過可編程邏輯器件讀取，將高速存儲芯片上記錄的故障信息發(fā)送至上位機電腦進行分析。

正常工作時，可編程邏輯芯片連續(xù)采樣故障檢測電路及節(jié)點信號，并在芯片內(nèi) RAM 進行緩存，當故障發(fā)生時，可編程邏輯芯片立即向存儲芯片發(fā)送請求存儲指令，將故障前后 2 ms 時長的采樣到的數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲芯片進行記錄。表 1 為需要存儲的故障與節(jié)點信號：

6 試驗

6.1 開關測試

使用地鐵高頻輔助變流器 DC/DC 模塊作為測試對象進行雙脈沖試驗，測試條件為：IGBT 型號 FF400R17KE4，母線電壓 Udc = 1 300 V，負載電流I = 200 A，電感負載 L = 400 μH，脈沖寬度為 Ton = 60 μs。

圖12為傳統(tǒng)單電阻驅動器高壓開關時的測試波形，圖13為本文設計的多電阻驅動器高壓開關的測試波形。

通過表 2 測試參數(shù)對比，門極電路采用多等級電阻開關控制顯著縮短了開通與關斷延遲時間，其中關斷延遲大幅縮短 46%。通過降低電流關斷的速度，使雜散電感引起的關斷過電壓減小約 50 V?？傮w來看，因影響損耗的參數(shù)得到了優(yōu)化，使得開通損耗減小 60%，而關斷損耗則減少了近 59%，這將降低 IGBT 運行時的溫升，進而延長其使用壽命。多等級控制電路明顯優(yōu)化了 IGBT 的開關性能。

6.2 故障存儲測試

6.2.1 超頻保護

使用波形發(fā)生器生成超過設定頻率的 PWM 波形輸入驅動器以模擬故障。從圖 14 示波器測量到的真實波形可以看出，當輸入的超頻 PWM 信號超過 3 個周期時，門極輸出 Vge 被軟件封鎖，IGBT 被關斷，不再執(zhí)行輸入脈沖動作，同時反饋置低向上位機報告了故障，實現(xiàn)了超頻保護。圖 15 為故障存儲芯片在超頻故障觸發(fā)時存儲到的各節(jié)點信號，與示波器測試到的波形信息相同，體現(xiàn)了故障存儲功能的準確有效。另外，標志位也指出了故障的類型，為原因分析提供了有力證據(jù)。

6.2.2 短路保護

將驅動器裝在功率模塊上，并對 IGBT 做短路連接。圖 16 為示波器測量到的驅動器上的真實波形式，可以看出當輸入脈沖超過設置的短路檢測時間（約 8 μs）時，退飽和電路檢測到了短路，軟件立即封鎖 Vge 脈沖，關斷 IGBT，同時向上位機反饋了故障，實現(xiàn)了對 IGBT的短路保護。圖 17 為芯片存儲解析后的波形，與實際短路保護時的波形時序相同，反映了存儲功能準確有效。

7 結語

針對軌道交通系統(tǒng)中 IGBT 的使用特點，設計了基于可編程邏輯器件的數(shù)字化驅動器。測試表明，由可編程邏輯器件控制的可變電阻的多級門極開關電路可有效減小開關損耗，優(yōu)化了 IGBT 開關性能。另外，創(chuàng)新性的加入了故障高速存儲功能，可為系統(tǒng)故障分析提供可靠依據(jù)。

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（注：本文轉自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）